Estudo Numérico do Número de Nusselt Associado à Transferência de Calor em Conveccção Natural em Cilindros Horizontais
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza Souza1; Sandi Itamar Schafer de Souza Souza1
1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte
doi:10.20906/CPS/CON-2016-0687
Resumo
Em projetos de engenharia que envolvem processos de transferência de calor por convecção natural é necessária a utilização de correlações analíticas e experimentais para o cálculo do número de Nusselt médio. A bibliografia apresenta inúmeras correlações, porém existem erros consideráveis associados à utilização delas, chegando a 20% nos casos mais extremos, e isto causa incertezas no momento de selecionar qual deve ser adotada. Com o objetivo de diminuir essas incertezas, utilizou-se de um pacote comercial de dinâmica dos fluidos computacional para a análise numérica de um modelo tridimensional em regime permanente que consiste no processo de transferência de calor em convecção natural entre um cilindro horizontal isotérmico e o ar que o circunda. Foram estudadas três temperaturas de parede e três temperaturas do ar, em um total de 9 casos. Para a análise proposta, foram obtidos os valores médios de números de Nusselt via simulação numérica e estes foram comparados com os resultados obtidos a partir da utilização de diferentes correlações analíticas e experimentais encontradas na literatura. Pôde-se determinar que 8 das 19 correlações utilizadas apresentaram erros relativos superiores a 10%, entretanto algumas retornaram valores bem satisfatórios, com erros relativos da ordem de 1% em relação ao valor numérico. Como objetivo secundário, realizou-se uma análise do número de Nusselt local e tornando possível provar que a hipótese inicial de que não havia transição para escoamento turbulento dentro da camada-limite térmica estava correta, já que identificou-se um decaimento uniforme do Nusselt local ao longo da circunferência do cilindro. Além disso, os campos de temperatura de cada um dos casos avaliados foram obtidos e analisados, o que permitiu a identificação de uma pluma descendente ao redor do cilindro, provocada pela variação de massa específica experimentada pelo ar ao perder calor para o cilindro.
Palavras-chave: Convecção natural; Cilindro horizontal; Número de Nusselt; Correlações; Simulação numérica